某變速器齒輪總成焊接失效分析

位君，董偉，王義

?

某變速器齒輪總成焊接失效分析

位君，董偉，王義

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

文章針對變速器齒輪總成焊接失效問題分析，利用電子顯微鏡、光學顯微鏡、洛氏硬度檢測及壓縮試驗等方法對焊接失效原因分析。結(jié)果表明：由于焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計不良，焊接過程中變形產(chǎn)生的應(yīng)力無法釋放，導(dǎo)致齒輪受力時在焊接位置開裂。

焊接齒輪；斷口形貌；金相組織；硬度檢測；壓縮實驗

前言

齒輪作為變速箱中重要的零件之一，直接影響到整車的使用性能及安全性能。通常齒輪總成由齒輪和結(jié)合齒兩個零件連接而成，常用的連接方式為花鍵連接和焊接，由于花鍵的工藝復(fù)雜且成本較高，因此焊接成為齒輪和結(jié)合齒連接的主要方式，電子束焊接作為一種高新的焊接技術(shù)，在該行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用[1]。齒輪在工作中受力可分解為圓周力、軸向力及徑向力，焊接位置同時承受扭矩及彎矩的作用，因此焊接結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計[2]及焊接質(zhì)量對焊接位置的強度至關(guān)重要。本文通過對齒輪總成焊接失效原因分析，為同類零件提供借鑒經(jīng)驗，避免發(fā)生類似現(xiàn)象。

1 研究對象

本文研究的對象是某變速器中間軸焊接齒輪總成，該零件由齒輪壓裝在結(jié)合齒上，采用電子束焊接而成，焊接結(jié)構(gòu)如圖1 所示，零件材料為20CrMoH，設(shè)計焊接位置承載扭矩大于6860N.m，試驗前焊接位置探傷檢測及承載扭矩試驗合格。該零件試驗時在較短時間內(nèi)發(fā)生脫焊現(xiàn)象，其斷裂宏觀形貌如圖2所示，為確定其失效的原因，對其進行檢驗和分析。

圖1 齒輪總成焊結(jié)構(gòu)

圖2 齒輪總成焊接失效宏觀形貌

2 檢測與分析

2.1 斷口形貌分析

分別取結(jié)合齒和齒輪斷口位置觀察，兩個零件焊接斷口位置可觀察到大量呈典型的脆性斷裂特征，但在斷口位置未觀察到疲勞源或其它疲勞斷裂特征，亦未發(fā)現(xiàn)明顯的焊接缺陷，如圖3所示。

圖3 焊接位置斷口形貌

2.2 焊縫附件位置顯微組織

在光學顯微鏡下觀察基體組織為細針或針狀回火馬氏體與少量殘留奧氏體組成；在焊縫位置其組織主要為低碳回火馬氏體組織和少量游離鐵素體組織，該組織為正常的中低碳鋼焊接組織，如圖4和圖5所示。

圖4 結(jié)合齒焊縫附近區(qū)域顯微組織

圖5 齒輪焊縫附近區(qū)域顯微組織

2.3 硬度檢測

2.3.1基體硬度檢測

將齒輪和結(jié)合齒樣品表面打磨平整并拋光后，進行洛氏硬度檢測[3]，在每個樣品上取4個硬度檢測位置檢測齒輪基體硬度，硬度檢測結(jié)果如表1所示。

表1 基體硬度檢測結(jié)果(HRC)

2.3.2焊縫位置硬度檢測

焊縫位置樣品經(jīng)過鑲嵌拋光后制備用于測試硬度分布，試樣的宏觀照片如圖6所示，圖中箭頭所示方向為硬度分布曲線測試的順序，即由母材區(qū)域開始檢測直至焊縫位置。

圖6 焊縫位置硬度檢測樣塊

焊接齒輪焊縫附近區(qū)域硬度分布曲線如圖7和圖8所示，可見焊接熱影響區(qū)域硬度較低，而焊縫位置硬度最高，母材位置的硬度則介于兩者之間，不同齒輪相同位置硬度值較為接近。

圖7 結(jié)合齒焊縫附件區(qū)域硬度分布

圖8 齒輪焊縫附件區(qū)域硬度分布

3 焊接位置加載測試

由于斜齒輪在運轉(zhuǎn)中受到軸向力的作用，同樣需要檢驗焊接位置承受軸向載荷的能力。取故障件同批次零件2件，對焊接位置施加靜載荷，利用美國MTS Landmark 370.10型微機控制電液伺服試驗機對焊接齒輪樣品進行壓縮試驗，圖9所示為焊接齒輪樣品焊接位置常溫壓縮載荷-位移曲線，最大加載載荷為28KN，兩個焊接齒輪焊接位置經(jīng)壓縮加載后均未發(fā)生損壞。

圖9 焊接位置壓縮載荷-位移曲線

4 結(jié)論

由斷口區(qū)域掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果可知：焊接斷口呈脆性斷口特征，未觀察到明顯疲勞斷裂特征，且在焊縫區(qū)域也沒有未熔合咬邊等焊接缺陷；

顯微組織觀察結(jié)果表明焊接區(qū)域組織正常；硬度檢測結(jié)果表明焊縫區(qū)域硬度分布較為均勻；

針對同批次焊接齒輪進行壓縮試驗，最大加載載荷為28KN，焊接位置未發(fā)生損壞。

綜上，可排除焊縫強度不足或焊接缺陷造成焊縫開裂，焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計不良則成為焊接齒輪開裂的重要原因，焊接過程中變形產(chǎn)生的應(yīng)力無法釋放，造成焊縫位置殘余應(yīng)力很高，并最終導(dǎo)致開裂，因此下一步工作需對焊接結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，如焊接件的間隙及焊接位置等，以解決焊接失效問題。

[1] 李春美.電子束焊接在變速器齒輪總成上的應(yīng)用[J].機械管理開發(fā),2015,30(8):52-53.

[2] 張毓新,周廣德,姚舜等.齒輪類零件電子束焊接結(jié)構(gòu)的合理性分析[J].焊接技術(shù),2003,32(4),50-51.

[3] GB/T 2654-2008. 焊接接頭硬度試驗方法[S].

Failure analysis of welding of a transmission gear

Wei Jun, Dong Wei, Wang Yi

（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

In this paper, electron microscopy, optical microscope, Rockwell hardness test and compression test were used to analyze the failure of gear welding. The results show that due to the poor design of the welded structure, the stress generated by the deformation during the welding process cannot be released, which causes the gear to crack at the welding position when the force is applied.

welded gear; fracture morphology; metallographic structure; hardness measurement; compression test

463.212

B

1671-7988(2018)20-128-03

U463.212

B

1671-7988(2018)20-128-03

位君，華晨汽車工程研究院，碩士，中級工程師，從事汽車變速器匹配開發(fā)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.047